不同前處理方法對紫色土粒度測試的影響

呂佼容, 徐小軍, 李 紅, 鮑玉海, 賀秀斌

(1.中國科學院 水利部 成都山地災害與環境研究所, 成都 610041; 2.四川省交通勘察設計研究院有限公司, 成都 610017)

紫色土是在亞熱帶和熱帶氣候條件下以三疊系、侏羅系、白堊系時代形成的紫色或紫紅色砂巖、頁巖經過長期的風化作用和侵蝕作用形成的巖性土[1-2],其土層較薄,徑流系數高,極易被水力侵蝕[2-3]。且因其礫石多的初育土壤特征導致紫色土地下徑流與養分滲漏現象同樣顯著[4-5]。近幾年,紫色土區壤中流現象,及其攜帶泥沙顆粒和養分流失的相關研究較多[4,6,7],一些地表粗化嚴重的山地壤中流占總徑流量的70%～80%,有壤中流情況下侵蝕量可提高30%以上[8],壤中流攜帶養分流失量占養分總流失量的比例可達70%[9]。

地表徑流和壤中流引起土壤顆粒分離和輸移[7],侵蝕泥沙中細顆粒比表面積大,吸附作用強[10-11],是肥料流失和污染物(重量金屬、農藥等)流失的重要載體[12-13]?，F有侵蝕產沙過程中的土壤顆粒組成研究中大都將泥沙進行了徹底分散[14-16]。而研究表明,土壤團聚體能夠抵抗降雨侵蝕和徑流沖刷,侵蝕泥沙中包括了團聚體和單粒,因此泥沙在未分散與分散的情況下顆粒分布不同[17]。侵蝕土壤細顆粒特別是黏粒隨徑流遷移至水體中[18],溶出的全氮和全磷是造成水體富營養化的重要原因,而土壤顆粒粒級的大小對母質溶出的全氮和全磷的含量有顯著影響[19-21]。有研究表明在相同的振蕩時間內,隨著母質顆粒的逐級增大養分溶出量先增加后減小[20]。因此不同研究目下對顆粒組成特性分析的需求不同,對應的不同前處理方法對顆粒分析結果有重要影響。

紫色土作為新成土,其中包含了團聚體、巖屑和單粒等復雜的粒度組成,不同的前處理方法和分析方法,都會對其顆粒組成測定結果造成影響,而目前紫色土剖面顆粒分析的相關研究還較少。同時,紫色土壤中流現象突出,泥沙顆粒和養分隨壤中流遷移占比大[5,22],有必要對土壤剖面顆粒組成,及前處理方法對顆粒分析結果的影響進行研究,為壤中流土壤侵蝕過程中不同測試分析目的土壤顆粒分析研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 土樣采集

采樣點位于中國科學院三峽庫區水土保持與環境研究站,隸屬重慶市忠縣境內(107°32′—108°14′E,30°03′—30°35′N),該區屬于亞熱帶季風性濕潤氣候,年平均氣溫19.2℃,年平均降水量1 150 mm。采樣地為典型紫色土人工林地,土壤為紫色砂頁巖風化后形成的紫色土,樹種主要為樟樹(Cinnamomumcamphora(L.) presl)。選取海拔相同、長勢均一的3個樣點挖土壤剖面,按每10 cm劃分一層,分層采集原狀剖面土樣,采樣深度為0—110 cm。將3個樣點采集的各層土樣分別均勻混合后用四分法收集每個土層各1 kg土樣。然后將樣品置于塑料盒中,帶回實驗室。及時將土樣掰成小塊,自然風干。將風干土樣全部過2 mm的篩,然后取1/8過0.25 mm篩。過2 mm篩的樣品用于測定粒徑組成,過0.25 mm篩的樣品用于測定有機質、碳酸鹽含量及pH值。

1.2 前處理方法與樣品分析

樣品分析在中國科學院成都山地災害與環境研究所分析測試中心進行。稱取5 g過2 mm篩的土壤樣品置于100 ml離心管中進行前處理。前處理中,試劑都沿容器壁緩緩加入。加水浸泡可以破壞土壤中的非水穩性團聚體,振蕩是分散土壤顆粒的一種物理方法,加入H2O2是為了去除樣品中混雜的有機質顆粒,并去除有機質膠結,加入鹽酸是為了去除碳酸鹽膠結[23]。

前處理方法見表1。T1為不進行任何前處理,直接加入進樣器進行測量;T2為用純水浸泡24 h;T3為用純水浸泡24 h,并振蕩2 h(振幅20 mm,轉速200 r/min);T4為用純水浸泡24 h,并振蕩10 h(振幅20 mm,轉速200 r/min);T5為加入10 ml H2O2進行反應;T6為反復多次加入H2O2,直到無氣泡產生;T7為加入10 ml鹽酸進行反應;T8為加入10 ml鹽酸充分反應,后用純水洗至中性;T9為反復多次加入H2O2,直到無氣泡產生,再加入10 ml鹽酸充分反應后用純水洗至中性,再加入10 ml (NaPO3)6溶液浸泡24 h。試驗所用H2O2濃度為10%,鹽酸濃度為10%。對于需要洗滌的樣品,反應完畢后向離心管中加滿純水,靜置24 h去除上清液,然后進行下一步操作;對于不需洗滌的樣品,反應完成后靜置去除上清液,直接進行下一步操作。每個處理3個重復。

表1 前處理方法設計Table 1 Pretreatment methods of soil samples before PSD measurement

顆粒組成采用英國Malvern公司的Mastersizer 2000激光粒度儀(設置:泵速3 000 r/min,激光強度15)測定。用取樣勺充分攪拌泥漿樣品,接著迅速取樣并加入進樣器,使遮光度在10%～20%。測定完畢,根據美國農部粒級制分為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和砂粒(0.05～2 mm)。土壤有機質和碳酸鹽采用元素分析儀進行測定,pH值用酸度計測定。

1.3 數據處理

利用Excel 2019版對數據進行分析處理,IBM SPSS Statistics 23進行差異性檢驗和相關分析,并利用Origin 9.0制圖。

2 結果與分析

從表2可以看出,各前處理均較對照處理顆粒變細,中值粒徑和平均粒徑減小,物理處理和化學處理之間粒度測試結果差異顯著。物理處理中,浸泡分散了部分非水穩性團聚體,中值粒徑相比對照減小了17.18 μm;振蕩(T3,T4)則對顆粒有顯著分散作用,中值粒徑較對照減小了37.86～45.64 μm,較純水浸泡中值粒徑進一步減小了41.2%～56.7%,其中振蕩10 h(T4)下得到全部處理中最小的中值粒徑。各化學處理(T5-T9)相較于對照均能顯著減小中值粒徑,平均減小51.4%,其中H2O2處理總體比HCl處理下中值粒徑小,分散作用更強,且黏粒含量最多,均>4%。添加過量H2O2(T6)和10 ml HCl處理后添加洗酸程序(T8)均會使中值粒徑變大,顆粒整體變粗,而二者結合(T9)處理比單一處理顆粒更細。

表2 各前處理下剖面土壤砂粒、粉粒、黏粒平均含量及平均中值粒徑(按中值粒徑從大到小排序)Table 2 The average content and median particle size of sand, silt and clay in the soil profile under each pretreatment

2.1 浸泡與振蕩對顆粒組成的影響

圖1為物理處理下不同土層顆粒含量變化,可以看出T2—T4處理下,砂粒和粉粒含量隨土層深度的變化曲線基本平行。對照處理下(T1)剖面砂粒和粉粒平均含量分別為59.2%,39.8%,經過純水浸泡(T2)各土層砂粒含量減少約9.2%,粉粒含量增加約8.4%。T3和T4處理后,各土層砂粒含量依次減少約23.2%,30.3%,粉粒含量依次增加約21.4%,26.8%,表明振蕩時間越長,對砂粒和粉粒的分散作用越強。不同處理間砂粒、粉粒和黏粒曲線大致平行,將土層按深度分為上(0—30 cm)、中(30—70 cm)、下土層(70—110 cm)三個層次,分別計算在T2—T4處理下三個土層砂粒、粉粒和黏粒平均含量與T1的差值,結果顯示土層間差值的差異不顯著(p<0.05),表明不同土層土壤顆粒對各物理前處理的敏感程度相似,無明顯分異性。

圖1 對照(T1)、純水浸泡(T2)、振蕩2 h(T3)與振蕩10 h(T4)后各土層顆粒組成

對于黏粒含量的變化,T2處理使黏粒平均含量增加0.8%。振蕩處理下(T3,T4)曲線基本重合,不同振蕩時間下各土層黏粒含量無顯著差異(p>0.05)。與T2相比,振蕩處理(T3,T4)平均使黏粒含量增加1.2%,其中70—100 cm土層黏粒含量增加較明顯。這可能是因為紫色土剖面土壤深層發育程度低,有機質和碳酸鈣含量均較少,進而團聚體含量少,因此振蕩則可使黏粒釋放。

結果表明物理前處理中振蕩的分散作用大于浸泡,且振蕩時間越長,顆粒越細。振蕩時間對砂粒和粉粒級的顆粒分散轉化作用較明顯,而對黏粒級顆粒的分散作用幾乎無差異。雖然振蕩分散效果顯著(表2),所得中值粒徑最小,但其仍無法分散一些有機質和碳酸鹽膠結的水穩性團聚體,對黏粒的釋放作用較弱。

2.2 雙氧水(H2O2)用量對顆粒組成的影響

顆粒分析前處理中雙氧水處理是為了除去樣品中的有機質,破壞土壤結構,分散土壤。表2顯示,化學處理中單獨加10 ml H2O2對紫色土樣品分散作用最強,中值粒徑為27.95 μm,較對照中值粒徑減小58.5%。但H2O2用量不同分散效果有顯著差異,過量H2O2會導致顆粒變粗,中值粒徑增大8.82 μm。另外,所有處理中H2O2處理對黏粒的分散釋放作用最顯著,對照處理黏粒含量僅為0.97%,H2O2處理后黏粒含量增加至4.19%～4.22%。結果表明紫色土有機質膠結形成的團聚體占比大,僅加入H2O2處理即可實現很好的顆粒分散效果,且有機質膠結是紫色土中黏粒的主要團聚形式,導致H2O2處理下黏粒分散釋放現象最顯著。

圖2為各土層樣品在不同H2O2用量下顆粒組成,砂粒和粉粒含量在T5和T6處理下總體差異顯著(p<0.05),其中不同土層顆粒含量對H2O2用量敏感性不同。T5和T6處理下三個土層砂粒、粉粒和黏粒平均含量與T1的差值為中土層>下土層>上土層(p<0.05),表明不同H2O2用量可導致中土層砂粒和粉粒含量顯著不同,而上層土砂粒和粉粒則對H2O2用量敏感性較弱。具體來看,0—10 cm和100—110 cm土層在T5和T6處理下砂粒和粉粒含量相差不大,曲線相交,而20—90 cm土層砂粒和粉粒含量差異顯著,表現為足量H2O2處理下砂粒含量顯著增多,平均增多9.5%,粉粒含量顯著減少,平均減少9.7%(圖3)。各土層黏粒含量曲線在T5和T6處理之間基本重合,二者之間黏粒含量差值<1%,且無顯著差異。表明不同H2O2用量對黏粒的分散作用相差不大,且各土層黏粒對H2O2用量的敏感性也無顯著差異。

圖2 T5,T6處理后各土層顆粒組成

圖3 T7與T8處理后各土層顆粒組成

2.3 鹽酸(HCl)處理洗酸與否對顆粒組成的影響

加入鹽酸是為了去除碳酸鹽膠結,分散土壤顆粒。預試驗表明10 ml鹽酸對樣品是過量的,反應完畢后,溶液呈酸性。表2可以看出,化學處理中HCl處理(T7,T8)分散作用較H2O2處理(T5,T6)整體稍弱。10 ml HCl處理(T7)中值粒徑為30.64 μm,較對照中值粒徑減小54.5%。而將10 ml HCl處理后增加洗酸程序(T8)還會降低其分散效果,顆粒整體變粗,中值粒徑增大6.6 μm。

圖3為T7與T8處理后各土層顆粒組成變化,砂、粉、黏粒含量在T7和T8處理下總體差異顯著(p<0.05),其中不同土層砂粒和粉粒含量對HCl用量敏感性不同。上、中、下土層砂粒和粉粒差值上、中土層>下土層(p<0.05),表明不同HCl處理可導致上、中土層砂粒和粉粒含量顯著不同,而下層土砂粒和粉粒則對HCl洗酸與否敏感性較弱。具體來看,深層土(100—110 cm)在T7和T8處理下砂粒和粉粒顆粒含量相差不大,曲線相交,而0—90 cm土層砂、粉粒含量差異顯著,表現為10 ml HCl+洗酸處理下砂粒含量顯著增多,平均增多6.2%,粉粒含量顯著減少,平均減少5.4%。兩處理間黏粒含量曲線基本平行,T8黏粒含量較T7平均少0.67%,上、中、下土層差值為0.45%～0.77%,下土層黏粒對HCl洗酸與否敏感程度稍高,但總體無較大差異。

另外,國內一些試驗分析及行業標準中都采用雙氧水和鹽酸處理后,再用六偏磷酸鈉進行分散,作為土壤終極顆粒組成(ultimate particle size distribution)測定的前處理方法[23-25],即本試驗中T9處理,但結果表明其中值粒徑并非最小,原因可能與H2O2,HCl用量有關,討論中將進行詳細分析。在經過H2O2和HCl處理后,樣品結構被破壞,顆粒已得到了較好的分散,再用六偏磷酸鈉進行處理,中值粒徑相比單一處理T6和T8僅減少5.75～6.22 μm。

3 討 論

3.1 H2O2用量對紫色土顆粒分散作用差異

本研究探討了不同前處理方法對紫色土剖面顆粒分析結果的影響,結果表明,物理處理中振蕩對泥沙顆粒的分散效果最好,但仍無法分散部分水穩性團聚體,對黏粒的釋放效果較弱。化學處理中總體H2O2處理的分散效果強于HCl處理,但二者用量的不同均對處理結果有顯著影響。H2O2處理主要作用為去除有機質膠結,HCl則是為了去除碳酸鹽膠結,從而分散團聚體。

圖4為剖面有機質分布,可看出有機質在土壤表層含量最高,為10.33 g/kg,隨土層深度增加,有機質含量逐漸降低。圖5為各土層有機質含量與兩種H2O2處理(T5,T6)下顆粒含量相關分析,圖中顯示10 ml H2O2處理下有機質含量與砂、粉、黏粒含量之間均無相關關系,表明10 ml H2O2不足以除盡樣品中有機質。而T6處理下有機質含量與砂粒、粉粒含量分別有顯著的負相關和正相關關系,相關系數r分別為-0.802,0.887,與Guo等[26]、董莉麗[27]研究中土壤有機質含量與團聚體含量呈顯著正相關的結果相呼應,可推知本研究中過量H2O2處理分散了全部由有機質膠結的團聚體,因此處理后砂粒和粉粒含量與有機質含量呈顯著線性相關關系。

圖4 剖面有機質分布

圖5 T5與T6處理后各土層顆粒組成與有機質的關系

對于過量H2O2處理(T6)比單獨加10 ml H2O2處理(T5)的顆粒更粗的現象,可能是因為樣品中的有機質一部分直接以粉粒級的顆粒形式存在,研究表明土壤中的有機質以溶解態和顆粒態形式存在,林業用地比農業用地土壤中顆粒態有機質含量多[28-29]。加入H2O2去除有機質后樣品中粉粒級顆粒態有機質減少,相應的砂粒則含量增多,T6處理下有機質被徹底除凈,因此呈現出顆粒比T5處理下粗的結果。此外,對于中層土砂粒和粉粒對H2O2用量敏感性較上和下層土高,這是由于土壤表層(0—10 cm)有機質含量最大,不僅粉粒級的顆粒態有機質較多,有機質膠結形成的砂粒級團聚體也較多,T6處理雖除凈粉粒顆粒態有機質,同時也分散砂粒級的有機質膠結團聚體,從而補充了粉粒含量,導致其顆粒粗化效應未凸顯。而土壤深層(100—110 cm)有機質含量極低,不同H2O2用量去除有機質效果相差不大,因此顆粒含量沒有明顯差異,總而導致中層土砂、粉粒在不同H2O2用量間含量差值最大。

另外,本研究結果中H2O2處理在全部處理中對黏粒的分散釋放作用最顯著,這是因為林地有機物生物量大,且較少受人為活動干擾,更有利于土壤有機碳含量的積累和土壤微生物群落的發育[30],而微生物代謝產物可增強有機質與黏粒之間的聯系,促進穩定性團聚體的形成[31]。因此H2O2處理下有機質膠結形成的團聚體分散,黏粒釋放最多。

3.2 HCl用量對紫色土顆粒分散作用差異

化學處理中10 ml HCl處理中值粒徑比10 ml H2O2處理中值粒徑大2.69 μm,黏粒含量少1.47%,而將10 ml HCl處理后增加洗酸程序還會降低其分散效果,顆粒整體變粗。本試驗中10 ml HCl反應后溶液仍呈酸性,表明其過量,洗酸程序相當于減少酸液用量。該結果與王君波等[32]、胡宗杰等[33]的研究中過量酸液引起顆粒再次絮凝,使顆粒變粗的結果相反。這可能是因為與其他研究中不同[32-33],本試驗未將鹽酸加熱進行反應,因此可能反應時間延長,且后期反應現象微弱,加水洗酸打斷了反應進程,導致反應不完全。同時,有研究表明在蒙脫石含量較高的樣品中,過量鹽酸會造成硅膠體出溶,對礦物產生膠結作用,從而導致顆粒絮凝,礦物粒度變粗,但是其他黏土礦物沒有這種現象[23],因此可能是樣品中蒙脫石含量少,所以洗酸與否對絮凝無影響。

圖6中可以看出碳酸鈣在剖面中上部分布較多(0—80 cm土層),到90 cm及以下則含量銳減,僅有0.17～2.25 g/kg。T7和T8顆粒含量之間的差異為上層和中層土(0—7 cm)>下層土,與碳酸鈣含量的剖面分布規律基本一致。將碳酸鈣含量與兩種處理(T7,T8)砂粒、粉粒、黏粒含量做相關分析,結果表明,相關系數均r<0.2,表明鹽酸過量情況下碳酸鈣含量與顆粒分散結果仍無顯著相關關系。研究表明,酸雨淋溶會對本就易風化的紫色土剖面成土速率產生顯著影響[34],淋溶液酸性越強,小粒徑顆粒數量越多,且成土速率隨淋溶量越大增加幅度越大[34]。因此可能HCl不僅與碳酸鈣發生反應分散團聚體,還加速風化進程從而影響顆粒組成,遂顆粒組成與碳酸鈣含量無直接顯著相關性。同時,過量HCl處理下紫色土樣品風化程度加深,土壤顆粒變細,也可導致其比洗酸處理下(T9)顆粒更細。

圖6 剖面碳酸鈣分布

3.3 不同前處理方法適用性

紫色土坡地壤中流現象突出[5],壤中流是泥沙顆粒和養分地下漏失的途徑。侵蝕產生的泥沙中存在水穩性團聚結構,這些水穩性團聚結構在隨水流遷移和擾動過程中未被分散破壞,是土壤抗蝕性的體現,因此要反映土壤侵蝕及其河流動力過程可采用振蕩等物理方法處理測定其顆粒組成。而泥沙顆粒的流失也攜帶著其吸附的養分、重金屬等污染物進入水體,這些物質出溶造成水體污染。而吸附污染物的主要是土壤中的黏粒、有機質、微團聚體[18,20-21],這些結構對化學處理較敏感,因此要反映面源污染過程需采用H2O2和HCl處理等化學方法將顆粒徹底分散,本研究結果顯示過量H2O2和HCl處理后增加洗酸過程均會導致紫色土顆粒變粗,其作用機理不同,運用中需注意用量對結果的影響。

4 結 論

(1) 物理前處理中值粒徑較對照減小17.18～45.64 μm,其中振蕩的分散作用大于浸泡,且振蕩時間越長,顆粒越細,但其對黏粒的釋放作用較弱,不同振蕩時間下黏粒含量無顯著差異(p>0.05)?；瘜W處理能去除團聚體膠結,中值粒徑較對照平均減小32.72 μm,其中H2O2處理總體比HCl處理分散作用更強,該處理下黏粒含量最大,平均>4%。

(2) 紫色土剖面從上至下發育程度逐漸降低,不同土層對各處理的敏感性不同。各物理前處理之間,剖面土壤顆粒差值變化較均勻,土層間未呈現顯著的分異性。相較對照處理,經過浸泡后各土層砂粒含量減少約9.2%,粉粒含量增加約8.4%,黏粒平均含量增加0.8%。振蕩處理后各土層砂粒含量減少23.2%～30.3%,粉粒含量增加21.4%～26.8%,黏粒含量平均增加1.2%。

(3) 對不同H2O2用量敏感性中土層(30—70 cm)>下土層(70—110 cm)>上土層(0—30 cm),其中20—90 cm土層砂粒含量在足量H2O2處理下比10 ml H2O2處理平均增多9.5%,粉粒含量平均減少9.7%。對不同HCl處理敏感性上、中土層>下土層,其中0—90 cm土層砂粒含量在10 ml HCl+洗酸處理下比10 ml HCl處理平均增多6.2%,粉粒含量平均減少5.4%。不同處理下黏粒含量則在土層之間沒有明顯分異性。足量H2O2處理下砂粒和粉粒含量與剖面有機質含量呈顯著線性相關(r>0.8),而HCl處理下剖面碳酸鈣含量則與各級顆粒含量無顯著相關性。

(4) 在紫色土侵蝕產沙相關研究中,反映土壤侵蝕及其河流動力過程是需保留水穩性團聚體特征,可采用振蕩等物理方法處理測定其顆粒組成。而反映面源污染等過程時則需采用H2O2和HCl處理等化學方法將顆粒徹底分散,但運用中需注意用量對結果影響。